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摘要：高速列车座椅是客室内重要的吸声体，而座椅材料的吸声性能对其整体的吸声性能有着重要的影响。通过研究适用于高速列车座椅的蒙布、吸声材以及穿孔板结构，发现三聚氰胺的吸声性能好于其他材料，穿孔吸声板可以弥补三聚氰胺在低频段吸声系数偏小的不足。根据测试结果以及现车座椅结构，对座椅进行吸声性能改进，并通过混响室法对其进行吸声效果测试，结果表明吸声系数在全频段内都有较大的提高。
关键词：高速列车；座椅；吸声材；穿孔吸声板；效果测试
中图分类号：TB 文献标识码：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2016.06.096
0引言
当前我国铁路机车车辆装备正在迈向世界先进行列，车内噪声水平也成为列车的乘坐舒适性的重要指标之一。高速列车车内噪声与车内的吸声设备的吸声量有关，而座椅作为车内重要设备，其吸声量对高速列车车内噪声的大小有着直接的关系。座椅的吸声越大，乘客听到的噪声就小。当前主要使用隔声板材和减振降噪阻尼材料来对客室噪声进行控制，但是对客室内座椅的吸声性能研究却较少。大吸声系数的座椅在音乐厅、大剧院等对声品质要求较高的地方得到了广泛的应用。吸声材料是具有较强吸声性能的材料，借助自身的多孔性、薄膜作用和共振作用，对入射声能吸收。苑改红等对不同种类的吸声材料进行了研究分析，对多孔吸声材的种类及其吸声机理进行了详细介绍；钟祥璋对影剧院的座椅对不同材质的座椅进行了吸声特性进行了测试，发现不同材质的座椅吸声系数相差近1倍之多；陆均林等用混响室法对观众厅座椅的吸声量进行了测试分析，发现增加座椅的数量，总的吸声量会明显增加。
本文中，针对高速列车车内噪声特点和座椅的现有结构，开展适用于高速列车座椅的蒙布、材料及穿孔板结构的吸声性能研究，对其进行吸声性能测试，根据测试结果对现车座椅进行吸声性能改进，以达到提高座椅整体吸声性能、进一步控制车内噪声的目的。
1吸声材研究
测量吸声材料吸声系数的方法主要有两种：双传声器驻波管法和混响室法。由于穿孔板、吸声材为吸声座椅零件结构，因此选用驻波管系统对穿孔铝板、吸声材料样件进行吸声系数测试；采用驻波管法，吸声系数采用传递函数法来获得，通过测量两固定位置处声压并计算两通道的传递函数得到试件的吸声系数，测试原理如图1所示。传声器1和传声器2处的总声压大小可分别表示为：
蒙布作为座椅与空气直接接触的部分，其吸声性能直接影响到座椅的吸声系数，其透声性会影响到坐垫和靠背中多孔吸声材吸声性能的发挥。通过测试蒙布的吸声性能来选取座椅合适的蒙布，是提高座椅吸声系数的第一步，本文中选取多种适用于高速列车座椅的蒙布，进行吸声性能测试。蒙布及吸声测试结果如图2所示。
图2为只测试各种蒙布的吸声效果，可以看出蒙布A的吸声效果最好，其次是B，其余的效果相差不大，但是各个蒙布与阻燃粘和吸声材料组合之后的效果，还需要进一步研究。经过对蒙布和阻燃毡、吸声材的组合测试之后发现B+C蒙布的组合具有较好的吸声效果，测试结果如下图所示。硅胶发泡材密度大，因此硅胶选用30mm厚。从图中可以看出B+C蒙布与阻燃毡、三聚氰胺的组合吸声效果最佳。
1.2多孔吸声材吸声研究
多孔吸声材内部具有大量细微孔隙，当声波入射到材料表面时，一部分在材料表面反射掉，另一部分则透射到材料内部，引起孔隙中的空气振动，由于摩擦和空气的粘滞阻力，将声能转变为热能而耗散掉。同时小孔中的空气与孔壁、纤维之间的热传导引起的热损失也使声能衰减。因此选择合适吸声材料便可以将车内关注频段内的噪声吸收掉。
这里选用适用于座椅填充材料的三种进行吸声性能测试，具体测试结果如图4所示。
从图4可以看出，在0—600Hz内聚氨酯发泡材的吸声效果最好，在600—1100Hz内三聚氰胺发泡材2的效果最好，在1100Hz以上三聚氰胺发泡材1的吸声效果最好。
将不同厚度的三聚氰胺发泡材1进行吸声性能测试，如图5所示，易知材料越厚其吸声性能越好，80mm的三聚氰胺发泡材在700Hz以上的频率范围内表现出了优异的吸声性能，其吸声系数接近于1。增加材料的厚度，低频吸收很快增加，对高频吸收的影响则很小，继续增加材料的厚度，材料吸声系数的增加值逐步减小，当材料厚度达到一定值时，继续增加材料厚度其吸声系数将不会发生变化。
1.3穿孔板吸声结构测试分析
穿孔板共振吸声结构的吸声原理是当声音通过孔颈，声波的频率接近共振器的固有振动频率时，孔颈的空气柱产生了强烈振动，在振动过程中，由于克服摩擦阻力而消耗声能。因此其吸声性能的特点是对频率有较强的选择性，只在一个特有的频率附近有较强的吸声作用，而在其他频率范围吸声作用很小，这个频率叫作共振器的共振频率fo。穿孔板吸声结构式是多个亥姆霍菲共振器的并联组合，它的吸声特性取决于板的穿孔率、板厚、孔径、板厚空腔以及空腔的填充材料等因素。穿孔板共振频率可以由下公式求得：
图6为铝制穿孔吸声板，左图为驻波管测试用样件，右图为坐垫支撑板用穿孔吸声板。
在座椅中，穿孔板与吸声材料配合使用起到吸声的效果，由于80mm三聚氰胺发泡材1在700Hz以上频段具有较高的吸声系数，因此选用80mm三聚氰胺发泡材1和不同参数的穿孔吸声板进行组合测试。测试结果如图7所示。
从图5可以看出，单独的80mm三聚氰胺吸声材虽在700Hz以上高频具有较高的吸声系数但是其在低频段内吸声系数较低，而从图7可知，当三聚氰胺吸声材与穿孔板组合时，穿孔板对80mm三聚氰胺吸声材低频吸声系数低的不足进行了补充，使得三聚氰胺吸声材在低频、高频段吸声系数均得到了明显的提高。从图中可以看出在全频段内吸声系数都较大的是板厚1.4mm孔径5mm穿孔率12.6%加80mm三聚氰胺吸声材的组合。
2座椅吸声性能改进与实验室验证
2.1座椅吸声性能改进
为了提高座椅的吸声性能，需对吸声材加穿孔板的组合吸声结构做进一步的混响室声效果试验验证。座椅主要包括座垫、靠背、骨架支撑等结构，座垫以及靠背的内部有弹性材料做填充。针对座椅的结构特点，将靠背拉铆支撑板、坐垫板设计为板厚1.4mm孔径5mm穿孔率12.6%的穿孔板加80mm三聚氰胺吸声材的组合。
2.2实验室测试结果分析
选用混响室法对改进设计的吸声座椅进行吸声系数测试，首先要测试空室的混响时间，其次要测试放有普通座椅和改进座椅的混响室混响时间。座椅按照现车布置进行排列，共计15把座椅如图9所示。根据放置座椅前后混响室的混响时间来计算座椅的系数，测试结果如图10所示。
从测试结果可以看出，改造之后座椅吸声系数在100Hz到5000Hz频段内都有提高，尤其是在250Hz到2500Hz频段内，吸声系数提高十分明显，改进之后的座椅吸声效果明显。
3结论
本文对适用于高速列车座椅的蒙布、吸声材、穿孔吸声板进行了吸声性能研究。并对现车座椅进行了吸声性能改进和实验室试验验证，结论有：
（1）虽然A蒙布单独测试具有较好的吸声效果，但是经过对蒙布和阻燃毡、吸声材的组合测试之后发现B+C蒙布与阻燃毡、三聚氰胺的组合吸声效果最佳。
（2）在三聚氰胺、聚氨酯、硅胶等多种吸声材中，三聚氰胺的吸声系数最大，同时选用合适参数的穿孔板与吸声材进行组合之后，使得三聚氰胺在低频段内的吸声系数得到了较大的提高。
（3）对座椅靠背支撑板、坐垫板进行吸声改进设计，使座椅的吸声系数有了较大的提高。对改进之后的15把座椅在实验室进行了吸声效果试验，改进之后座椅吸声系数在100Hz到5000Hz都有提高，尤其是在250Hz到2500Hz频段内，吸声系数提高十分明显。
关键词：高速列车；座椅；吸声材；穿孔吸声板；效果测试
中图分类号：TB 文献标识码：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2016.06.096
0引言
当前我国铁路机车车辆装备正在迈向世界先进行列，车内噪声水平也成为列车的乘坐舒适性的重要指标之一。高速列车车内噪声与车内的吸声设备的吸声量有关，而座椅作为车内重要设备，其吸声量对高速列车车内噪声的大小有着直接的关系。座椅的吸声越大，乘客听到的噪声就小。当前主要使用隔声板材和减振降噪阻尼材料来对客室噪声进行控制，但是对客室内座椅的吸声性能研究却较少。大吸声系数的座椅在音乐厅、大剧院等对声品质要求较高的地方得到了广泛的应用。吸声材料是具有较强吸声性能的材料，借助自身的多孔性、薄膜作用和共振作用，对入射声能吸收。苑改红等对不同种类的吸声材料进行了研究分析，对多孔吸声材的种类及其吸声机理进行了详细介绍；钟祥璋对影剧院的座椅对不同材质的座椅进行了吸声特性进行了测试，发现不同材质的座椅吸声系数相差近1倍之多；陆均林等用混响室法对观众厅座椅的吸声量进行了测试分析，发现增加座椅的数量，总的吸声量会明显增加。
本文中，针对高速列车车内噪声特点和座椅的现有结构，开展适用于高速列车座椅的蒙布、材料及穿孔板结构的吸声性能研究，对其进行吸声性能测试，根据测试结果对现车座椅进行吸声性能改进，以达到提高座椅整体吸声性能、进一步控制车内噪声的目的。
1吸声材研究
测量吸声材料吸声系数的方法主要有两种：双传声器驻波管法和混响室法。由于穿孔板、吸声材为吸声座椅零件结构，因此选用驻波管系统对穿孔铝板、吸声材料样件进行吸声系数测试；采用驻波管法，吸声系数采用传递函数法来获得，通过测量两固定位置处声压并计算两通道的传递函数得到试件的吸声系数，测试原理如图1所示。传声器1和传声器2处的总声压大小可分别表示为：
蒙布作为座椅与空气直接接触的部分，其吸声性能直接影响到座椅的吸声系数，其透声性会影响到坐垫和靠背中多孔吸声材吸声性能的发挥。通过测试蒙布的吸声性能来选取座椅合适的蒙布，是提高座椅吸声系数的第一步，本文中选取多种适用于高速列车座椅的蒙布，进行吸声性能测试。蒙布及吸声测试结果如图2所示。
图2为只测试各种蒙布的吸声效果，可以看出蒙布A的吸声效果最好，其次是B，其余的效果相差不大，但是各个蒙布与阻燃粘和吸声材料组合之后的效果，还需要进一步研究。经过对蒙布和阻燃毡、吸声材的组合测试之后发现B+C蒙布的组合具有较好的吸声效果，测试结果如下图所示。硅胶发泡材密度大，因此硅胶选用30mm厚。从图中可以看出B+C蒙布与阻燃毡、三聚氰胺的组合吸声效果最佳。
1.2多孔吸声材吸声研究
多孔吸声材内部具有大量细微孔隙，当声波入射到材料表面时，一部分在材料表面反射掉，另一部分则透射到材料内部，引起孔隙中的空气振动，由于摩擦和空气的粘滞阻力，将声能转变为热能而耗散掉。同时小孔中的空气与孔壁、纤维之间的热传导引起的热损失也使声能衰减。因此选择合适吸声材料便可以将车内关注频段内的噪声吸收掉。
这里选用适用于座椅填充材料的三种进行吸声性能测试，具体测试结果如图4所示。
从图4可以看出，在0—600Hz内聚氨酯发泡材的吸声效果最好，在600—1100Hz内三聚氰胺发泡材2的效果最好，在1100Hz以上三聚氰胺发泡材1的吸声效果最好。
将不同厚度的三聚氰胺发泡材1进行吸声性能测试，如图5所示，易知材料越厚其吸声性能越好，80mm的三聚氰胺发泡材在700Hz以上的频率范围内表现出了优异的吸声性能，其吸声系数接近于1。增加材料的厚度，低频吸收很快增加，对高频吸收的影响则很小，继续增加材料的厚度，材料吸声系数的增加值逐步减小，当材料厚度达到一定值时，继续增加材料厚度其吸声系数将不会发生变化。
1.3穿孔板吸声结构测试分析
穿孔板共振吸声结构的吸声原理是当声音通过孔颈，声波的频率接近共振器的固有振动频率时，孔颈的空气柱产生了强烈振动，在振动过程中，由于克服摩擦阻力而消耗声能。因此其吸声性能的特点是对频率有较强的选择性，只在一个特有的频率附近有较强的吸声作用，而在其他频率范围吸声作用很小，这个频率叫作共振器的共振频率fo。穿孔板吸声结构式是多个亥姆霍菲共振器的并联组合，它的吸声特性取决于板的穿孔率、板厚、孔径、板厚空腔以及空腔的填充材料等因素。穿孔板共振频率可以由下公式求得：
图6为铝制穿孔吸声板，左图为驻波管测试用样件，右图为坐垫支撑板用穿孔吸声板。
在座椅中，穿孔板与吸声材料配合使用起到吸声的效果，由于80mm三聚氰胺发泡材1在700Hz以上频段具有较高的吸声系数，因此选用80mm三聚氰胺发泡材1和不同参数的穿孔吸声板进行组合测试。测试结果如图7所示。
从图5可以看出，单独的80mm三聚氰胺吸声材虽在700Hz以上高频具有较高的吸声系数但是其在低频段内吸声系数较低，而从图7可知，当三聚氰胺吸声材与穿孔板组合时，穿孔板对80mm三聚氰胺吸声材低频吸声系数低的不足进行了补充，使得三聚氰胺吸声材在低频、高频段吸声系数均得到了明显的提高。从图中可以看出在全频段内吸声系数都较大的是板厚1.4mm孔径5mm穿孔率12.6%加80mm三聚氰胺吸声材的组合。
2座椅吸声性能改进与实验室验证
2.1座椅吸声性能改进
为了提高座椅的吸声性能，需对吸声材加穿孔板的组合吸声结构做进一步的混响室声效果试验验证。座椅主要包括座垫、靠背、骨架支撑等结构，座垫以及靠背的内部有弹性材料做填充。针对座椅的结构特点，将靠背拉铆支撑板、坐垫板设计为板厚1.4mm孔径5mm穿孔率12.6%的穿孔板加80mm三聚氰胺吸声材的组合。
2.2实验室测试结果分析
选用混响室法对改进设计的吸声座椅进行吸声系数测试，首先要测试空室的混响时间，其次要测试放有普通座椅和改进座椅的混响室混响时间。座椅按照现车布置进行排列，共计15把座椅如图9所示。根据放置座椅前后混响室的混响时间来计算座椅的系数，测试结果如图10所示。
从测试结果可以看出，改造之后座椅吸声系数在100Hz到5000Hz频段内都有提高，尤其是在250Hz到2500Hz频段内，吸声系数提高十分明显，改进之后的座椅吸声效果明显。
3结论
本文对适用于高速列车座椅的蒙布、吸声材、穿孔吸声板进行了吸声性能研究。并对现车座椅进行了吸声性能改进和实验室试验验证，结论有：
（1）虽然A蒙布单独测试具有较好的吸声效果，但是经过对蒙布和阻燃毡、吸声材的组合测试之后发现B+C蒙布与阻燃毡、三聚氰胺的组合吸声效果最佳。
（2）在三聚氰胺、聚氨酯、硅胶等多种吸声材中，三聚氰胺的吸声系数最大，同时选用合适参数的穿孔板与吸声材进行组合之后，使得三聚氰胺在低频段内的吸声系数得到了较大的提高。
（3）对座椅靠背支撑板、坐垫板进行吸声改进设计，使座椅的吸声系数有了较大的提高。对改进之后的15把座椅在实验室进行了吸声效果试验，改进之后座椅吸声系数在100Hz到5000Hz都有提高，尤其是在250Hz到2500Hz频段内，吸声系数提高十分明显。